冲击荷载下高流态地质聚合物混凝土的强度特性.pdf
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1、第 1 7 卷第 1期 2 O 1 4年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATERI AL S Vol _1 7 NO 1 Fe b, 20 1 4 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 7 2 0 6 冲击荷载下高流态地质聚合物混凝土的强度特性 罗 鑫 , 许金余 , 苏灏 扬 , 白二 雷 , 李为 民。 ( 1 空军工程大学 机场建筑工程系 , 陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ; 2 西北工业大学 力学 与土 木建 筑学 院 ,陕西 西 安 7 1 0 0 7 2 ;3 广 州军 区空军 后勤 部
2、机场处 ,广东 广州 5 1 0 0 5 2 ) 摘 要 :以矿 渣 、 粉 煤灰 为原 材料 , Na OH, Na C O。 为碱 激 发 剂 , 制备 了强 度 等级 为 C 3 0的 高流 态地 质 聚合 物混凝 土 ( h i g h l y f l u i d i z e d g e o p o l y me r c o n c r e t e ,HF GC ) ,并 采 用 经波 形 整形 技 术 改进 后 的 1 0 0分 离式 霍普金 森压 杆 ( S HP B ) 试 验装 置测试 了 HF G C在 冲击荷 载 下的 强度特性 , 包括动 态 劈裂拉伸强度和动态压缩强度
3、结果表明 : HF GC的动态强度特性表现 出了明显的应变率相关性 , 其增强因子 可 用平 均 应 变率 的对 数 线性 表 示; 动 态劈 裂 拉 伸 状 态下 的 应 变率 敏 感 阀值 为 5 0 2 7 S , 动 态压 缩状 态下 的应 变率敏 感 阀值 为 2 8 8 9 S , 动 态劈 裂拉伸 强度 的应 变率敏 感性要 比动 态压 缩强度 强 ; HF G C的 动 态强度特 性 的定性 趋 势与 普通 混凝 土一致 , 但 与普 通 混 凝 土相 比 , HF G C的 应 变率敏 感性 因其具 备特 有的 无机 缩聚 三维 氧化 物 网络 结 构 而更 为 明显 , 可
4、 以更 有效 地 发 挥其 在 冲击荷 载作 用 下的整体 强度 特性 由此可见 , HF GC是 应 变率敏 感材 料 关键词 :高流态地质聚合物混凝土;分离式霍普金森压杆 ; 动态劈裂拉伸试验 ; 动态压缩试验 ; 强 度特性 ;波形 整形技 术 中图分类 号 : O3 4 7 ; T U5 2 8 5 7 2 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 O 1 4 0 1 0 1 3 S t r e n g t h Pr o p e r t i e s o f Hi g h l y Fl u i d i z
5、e d Ge o p o l y me r Co n c r e t e u nd e r I mpa c t Lo a d i n g LUO Xi n , XU J i n y u , SU Ha o y a n g , BAI Er l e i , LI We i mi n 。 ( 1 De pa r t me nt o f Ai r f i e l d a nd Bu i l d i n g Eng i n e e r i n g,Ai r Fo r c e En gi ne e r i ng Uni ve r s i t y,Xi an 71 0 03 8,Chi n a; 2 Co
6、 l l e ge o f M e c ha n i c s a n d Ci vi l Ar c hi t e c t ur e,No r t hwe s t Po l y t e c hn i c Uni v e r s i t y,Xi a n 7 10 07 2,Chi na; 3 Ai r p or t Of f i c e,Ai r Fo r c e Lo gi s t i c s De pa r t me nt i n Gu a ng z ho u M i l i t a r y Re gi o n,Gu a ng z ho u 5 1 005 2,Chi na ) Ab s t
7、 r a c t :C3 0 h i g h l y f l u i d i z e d g e o p o l y me r c o n c r e t e ( HF GC)wa s p r e p a r e d b y u s i n g s l a g a n d f l y a s h a s r a w m a t e r i a l s a nd Na OH a n d N a 2 CO3 a s a l ka l i ne a c t i v a t i o n a ge nt The s t r e ng t h pr op e r t i e s of H FGC un d
8、e r i m pa c t l o a d i ng,i nc l u d i ng dy n a m i c s p l i t t i n g t e ns i l e a nd c o m pr e s s i v e s t r e ng t h,we r e s t ud i e d b y u s i ng 1 0 0 s pl i t Hop ki ns o n p r e s s u r e b a r ( SHPB) a pp a r a t u s i m pr o v e d wi t h t h e pul s e s ha p e r t e c hn i q ue
9、 The r e s u l t s i nd i c a t e t ha t d y na m i c s t r e ng t h pr op e r t i e s of HFGC e x hi b i t s t r o ng s t r a i n r a t e d e p e n de nc e; f o r HFGC, s t r a i n r a t e s e ns i t i v i t y t hr e s ho l d u nd e r d y na mi c s p l i t t i n g t e ns i l e c o nd i t i o n i s
10、5 0 2 7 S ,a nd un de r dy na m i c c o m pr e s s i v e c ond i t i o n t h a t i s 2 88 9 S _。 ,t he s t r a i n r a t e s e ns i t i v i t y o f d yn a mi c s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gt h i s hi ghe r t ha n t ha t o f d yn a mi c c o m p r e s s i ve s t r e ng t h;t h e qu a l i
11、 t a t i v e t r e n d o f dy n a m i c s t r e ng t h p r op e r t i e s of H FGC a r e i n a c c o r d wi t h t ha t o f no r ma l c o nc r e t e,bu t c ompa r e d wi t h no r m a 1 c o n c r e t e,t h e s t r a i n r a t e s e n s i t i v i t y of H F GC b e c ome s e v e n hi gh e r b e c a u s
12、e o f po l y c o n de ns e d ne t wo r k s t r uc t u r e, a nd t h a t c a n e f f e c t i ve l y de ve l o p t he o v e r a l l s t r e n g t h p r o p e r t i e s u n d e r i mp a c t l o a d i n g Th u s i t c a n b e s e e n t h a t H F GC i s s t r a i n r a t e s e n s i t i v e 收稿 日期 : 2 0 1
13、 2 - 0 9 1 1 ;修订 日期 : 2 0 1 2 1 1 一 O 4 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 5 0 7 , 5 1 3 7 8 4 9 7 ) ; 陕西省 自然科学基金资助项 目( 2 0 1 l g m6 0 1 4 ) 第 一作者 : 罗 鑫( 1 9 8 6 一) , 男 , 湖南 株洲人 , 空军工程大学博士生 E - ma i l : p e r s u n s h p b 1 6 3 c o rn 通 信作者 : 许金余 ( 1 9 6 3 一) , 男 , 吉林靖字人 , 空军 工程大学教授 , 博士生导师, 博士 E ma
14、i l : j i n y u x u 2 6 3 n e t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 罗 鑫 , 等 : 冲击荷载下高流态地质聚合物混凝土 的强度特性 Ke y wo r d s :h i g h l y f l u i d i z e d g e o p o l y me r c o n c r e t e ( HFGC);s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r ( S HPB) ;d y n a mi c s p l i t t i n g t e n s i l e t e s
15、 t ;d y n a mi c c o mp r e s s i v e t e s t ;s t r e n g t h p r o p e r t y ;p u l s e s h a p i n g t e c h n i q u e 碱胶凝材料l 】 是指 由具有火山灰活性或潜在水 硬性的原料在碱激发剂作用下得 到的胶凝材料 , 其 凭借着优异的力学性能E 引、 耐高温性 、 耐久性E 等 特性而成为国内外 的研究焦点 碱矿渣水 泥 5 和地 质聚合物 6 是碱胶凝材料 的两大重要分支 , 它们 既 具有共同的优异特性 , 同时又各有千秋 , 如何恰 当地 将这两类材料组合以实现性能
16、上的取长补短是一个 值得深入研究 的问题 据全球最有影 响力 的环保组 织之一Gr e e n P e a c e 在 2 0 1 0年对中国粉煤灰灰 场的实地调查表 明, 粉煤灰 已成为中国工业 固体废 物的最大单一排放源, 而且 目前对其持续污染的管 理仍为空 白, 如何结合时代的需求 以促进材料学科 的大跨步发展也是亟待探讨 的课题 矿渣粉煤灰基 地质聚合物混凝土l 7 是基于“ 优势互补效应” 和可持 续发展 目的而开发的新 型胶凝材料 , 对其开展相关 研究 具有 重要 意义 目前 , 混 凝土 材料应 用 的主 流方 向是高 性 能 , 国 标 C E C S 2 0 7 : 2
17、0 0 6 ( 高性能混凝土应用技术规程 指 出, 高性能包含高耐久性、 高体积稳定性和高工作性 ( 主要表现为高流态) 研究成果表明, 地质聚合物材 料由于具备独特的三维氧化物网络结构 而容易满 足前两项的要求 , 但对于高流态却是难以实现 为突 破应用瓶颈 , 开展高流态地质聚合物混凝土( h i g h l y f l u i d i z e d g e o p o l y me r c o n c r e t e , HF G C ) 的性 能测 试 显得尤为重要 混凝土材料是国防和重要基础设施 的主要工程材料 , 爆炸和冲击载荷作用 的存在让混 凝土类材料的动态力学性 能研究备受关注
18、, 相关 的 试验成果可用 于建立动态本构模型和数值模拟 , 为 应用于实际工程 的混凝土材料提供动力响应数据 , 另外也能促进动力学学科的发展 对 于地质 聚合 物混 凝 土 9 的相 关研 究 主要 集 中 在制备方面 , 而对于高流态地质聚合物混凝土的制 备及其在 冲击荷 载下力学特性方 面的研究 尚不 多 见 , 尤其是有关其动态劈裂拉伸强度特性 的研究报 道更是少见 , 亟待加强 本文 以矿渣 、 粉煤灰为原材 料 , Na OH, Na C O 。 为碱 激发 剂 , 在系 统研 究 了矿渣 粉煤灰基地质 聚合物强度体系的基础上 , 制备 了强 度等级为 C 3 0的 HF GC,
19、 运用波形整形技术改进了 , 1 0 0 S HP B试验 装置 , 基 于此 开展 了 HF G C动态劈 裂拉伸试验和动态压缩试验 , 并分析 了 HF GC在冲 1 ) 本文所涉及 的含量 、 掺量等均指质量分数 击荷载作用下的强度特性, 包括动态劈裂拉伸强度 和 动态压 缩 强度 1 试验基本情况 1 1 原材 料及 制 备方 法 粉体材料 : 韩城龙 门钢铁有限公司的水淬高炉 矿渣 ( 比表 面 积 4 9 1 6 m k g , 2 8 d活 性 指 数 9 5 ) ; 韩城第二发电厂生产的一级粉煤灰 碱激发 剂 制 备 原 料 : Na oH ( NH) , 分 析 纯 , 片
20、状 , 含量 9 9 0 ”; N a 2 C O。 ( N C) ,分 析 纯 , 粉 状 , 含 量 9 9 8 ; 外 加 剂 : 自行 试 配得 到 的 白色 无 机 物, 掺量均为 0 4 ; 自来水 骨料 : 泾阳县石灰岩碎石( 5 1 0 mm, 约 1 5 ; 1 0 2 0 mm, 约 8 5 ) ; 灞河 中砂 ( 细 度模数 为 2 8 ) 试件制备 : 按照“ 裹砂石法” 的技术要求 , 将地质 聚合物混凝土原料混合 , 搅拌均匀后装人圆柱形模 具成型 , 室温下暴露 2 4 h后拆模 , 立 即进行标准养 护( T= = : ( 2 O 2 ) , 相对湿度 RH9
21、5 ) 试件加工 I : 对养护 2 8 d 后 的试 件 , 进行 切割 、 水 磨加工, 以保证试件的平面度、 光洁度及垂直度在标 准范 围内 , 由此 得 到 用 于 动 态压 缩 试 验 的 圆柱 形 试 件 为 了更好地 满 足 应力 均 匀性 的假定 , 并 减少 由试 件厚度引起的惯性效应和端面摩擦效应, 基于现有的 研究成果 】 , 确定其几何尺寸约为 9 5 5 0 m m 试件加工 : 巴西学者 C a r n e i r o _ 】 第 1个通过 圆盘劈裂拉伸试验研究了混凝土在静态加载情况下 的拉 伸强 度 , 著名 的 巴西方法 由此 诞生 由于常 规 巴 西圆盘施力点
22、处 的高度应力集 中容易引起试样压 碎、 屈服甚至破坏 , 为使试验简单易行并避免在加载 过程 中出现施力点先破坏的不合理模式, 有学者_ 1 对巴西圆盘进行了改进, 在圆盘上加工两个互相平行 的平面作为加载面 , 使试样变成平台巴西圆盘 因此, 试件的 S HP B动态劈裂拉伸试验采用直径为 9 5 mm, 厚 度为 5 0 mm, 中心角 为 2 O 。 的平 台 巴西 圆盘 1 2基 本性 能 凝结硬化特性 : 采用调整水量法测得 HF GC的 标准 稠 度 用 水 量 为 2 8 , 测 定 的 初 凝 时 间 为 1 7 0 mi n , 终凝时间为 8 h 对照标准可知, 普通硅
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